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Beim Stand der Technik bezüglich der Einbringung von Erdwärmesonden in ein Bohrloch besteht das Problem, dass es schwierig ist, die Erdwärmesonde zentrisch in das Bohrloch einzubringen und auch zentrisch in dem im Bohrloch verfüllten Mörtelbett zu halten.
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Es kann beim Stand der Technik nämlich vorkommen, dass während des Auffüllens des Mörtelbettes sich die Erdwärmesonde im Mörtelbett schräg stellt oder sich sogar schraubenförmig an der Bohrlochwandung anlegt und hierdurch dann ein ungünstiger Wärmeübergang zwischen der Bohrlochwandung und der Erdwärmesonde gegeben ist.
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Mit dem Gegenstand der
DE 20 2009 000 462 U1 ist eine Vorrichtung zum Verfüllen eines Bohrloches dargestellt. Hier ist jedoch keinerlei Zentrierung der Erdwärmesonde zum Bohrloch vorgesehen, da gerade bei dieser Anordnung die Gefahr des Verkantens oder des Verformens der Erdwärmesonde besteht.
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Mit dem Gegenstand der
DE 20 2007 005 268 U1 ist eine Erdwärmesonde und ein Zentrierelement für Erdwärmesonden bekannt geworden, wobei dieses Zentrierelement am Außenumfang der Erdwärmesonde aufgebracht werden soll, um somit die Erdwärmesonde zentrisch im Bohrloch zu halten.
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Mit dem Einbringen des Sondenschlauches und der Verfüllungsschläuche muss deshalb auf die Vielzahl der Schläuche das Zentrierelement aufgebracht werden und zusammen mit diesen Schläuchen in das entleerte Bohrloch eingeführt werden. Nachteilig dabei ist, dass beim Einführen des gesamten Schlauchstranges sich das Zentrierelement schräg stellen kann oder sogar abfallen kann und sich im Bohrloch so verkeilen kann, dass ein weiteres Vorschieben der Schläuche im Bohrloch nicht mehr gegeben ist. Hierbei wird nämlich auch vorausgesetzt, dass das Bohrloch mit seiner Wandung stabil steht und keine Wandabbrüche erfolgen, welche ein späteres Einbringen erschweren. Aus diesem Grund ist es nachteilig, den gesamten Schlauchstrang in ein vollständig entleertes Bohrloch ohne Abstützmaßnahmen einzubringen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine wesentlich einfachere und sicherere Einbringung einer Erdwärmesonde in ein Bohrloch gewährleistet ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die verfahrensmäßigen Merkmale der unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Abstützung des Bohrloches während der Einbringung der Bohrung und während der Vermörtelung stattfindet.
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Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde und das erfindungsgemäße Bohrsystem sind ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem, das sowohl das Bohren der notwendigen Bohrlöcher als auch das Versetzen (Einbringen und Vermörteln) der Erdwärmesonden in einer technisch, sicherheitstechnisch, wirtschaftlich und ökologisch optimalen Art und Weise ermöglicht.
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Das System zeichnet sich besonders durch folgende Vorteile aus:
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– Leistungsfähiges Bohren
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Das Bohrsystem besteht aus einem Einfach-Bohrstrang, und kann beide Funktionen, die von einem Bohrstrang für Erdwärmebohrungen verlangt werden, erfüllen. Diese Funktionen sind das Bohren selbst und das Stützen des Bohrloches, wenn instabile Gebirgsschichten (Lockergestein u. ä.) durchörtert werden müssen. Alternative Bohrtechnologien benötigen hierzu, zumindest im Bereich der instabilen Zonen, einen Doppel-Bohrstrang, bestehend aus Innengestänge und Stützbohrrohren, den man aber von Beginn an zumindest bis nach der instabilen Zone mitziehen muss. Der Einfach-Bohrstrang ist leichter, einfacher zu verlängern und einfacher wieder auszubauen, was zu geringeren Bohrnebenzeiten und somit zu höheren Bruttobohrgeschwindigkeiten führt.
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Durch Verwendung der wesentlich leistungfähigeren Außenhammer- statt der Imlochhammer-Technolgie ergeben sich auch höhere Netto-Bohrfortschritte.
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Die konzentrische Bauweise der Erdwärmesonde gestattet es, dass kleinere Bohrlöcher zur Anwendung kommen können, als bisher üblich. Diese kleineren Bohrlöcher decken sich mit dem für hydraulische Hammerbohrmaschinen besonders leistungsfähigen Durchmesserbereich von Bohrlöchern, was wiederum höhere Nettobohrgeschwindigkeiten bedeutet.
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Die Bohrrohre des Systems sind dickwandige Schlagrohre und gewährleisten damit eine besonders gute Schlagenergieübertragung im Bohrstrang. Auch das bewirkt höhere Nettobohrgeschwindigkeiten.
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Der Kopf des Bohrwerkzeuges zeichnet sich durch einen sehr guten Gesteinsabtrag und durch eine sehr gute Spülung und damit rasche Entfernung der abgetragenen Gesteinspartikel aus. Das wiederum eliminiert die Bremswirkung von zu langsam ausgetragenem Bohrklein und erhöht ebenfalls die Nettobohrgeschwindigkeit.
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– Kein Schmiermitteleintrag in das Gebirge/Erdreich.
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Bei der Außenhammer-Technologie dient die verwendete Druckluft nur zu Zwecken der Spülung (Bohrkleinentfernung). Bei der Imlochhammer-Technolgie dient die Druckluft zunächst als Arbeitsluft zum Antrieb des Imlochhammers, die den Hammer verlassende Abluft wird zur Spülung verwendet. Die notwendige Schmierung der bewegten Teile des Imlochhammers kann nur dadurch bewerkstelligt werden, dass der Druckluft reichlich Schmiermittel beigegeben wird.
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Dieses Schmiermittel ist natürlich auch in der Abluft, die gleichzeitig die Spülluft ist, noch vorhanden. Ein Teil wird an die Oberfläche ausgetragen, ein Teil verbleibt jedoch im Bohrloch und somit im angrenzendem Gebirge/Erdreich und damit leider auch im eventuell vorhandenen Grundwasser. Beim erfindungsgemäßen Bohrverfahren wird kein Schmiermittel angewendet und daher auch nicht ins Erdreich oder Grundwasser eingebracht.
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– Zentriertes Einbringen der Erdwärmesonde
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Nach Vollenden des Rohrens wird das Außenrohr der Erdwärmesonde in den oben geöffneten Bohrstrang eingeführt, durch Aneinanderkoppeln der einzelnen Wärmetauscherrohre verlängert und bis zur Endlänge eingebaut. Durch die Bauweise des Systems wird der gesamte Sondenstrang an Wärmetauscherrohren durch die Rohre und den Bohrkopf des Bohrstranges zentriert.
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Da das Vermörteln ebenfalls durch den Bohrstrang erfolgt, bleibt der Sondenstrang immer zentrisch im Bohrloch und wird durch den Mörtel in dieser zentrischen Lage endgültig fixiert. Dadurch ist eine vollkommene, hohlraumfreie Einbettung gegeben, was gute Kontaktbedingungen und somit gute Wärmeübertragung zur Folge hat und auch störende Wasserwegigkeiten zwischen Grundwasserhorizonte vermeidet.
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– Vollkommene Druck-Vermörtelung vom Bohrlochtiefsten bis zum Bohrlochrand
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Der Mörtel wird über den Spülkopf, im Ringraum zwischen den Sondenaußenrohren und den Bohrrohren/Bohrkopf unter Druck eingepumpt. Gleichzeitig wird der Bohrstrang zurückgezogen. Der Mörtel tritt in diesem Ringraum zwischen Sonde und Bohrkopf aus. Das Zurückziehen des Bohrstranges erfolgt mit einer so gesteuerten Geschwindigkeit, dass der Druck im eingepumpten Mörtel einen Mindestwert nicht unterschreitet. Es handelt sich also somit um eine Druck-Vermörtelung. Zum Unterschied von alternativen derzeit verwendeten Systemen, wo das Verpumpen des Mörtels zwar auch unter Druck geschieht, der Austritt aus dem Mörtelschlauch jedoch drucklos geschieht.
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Dadurch ist beim System, und nur bei diesem, gewährleistet, dass die Erdwärmesonde vom Bohrlochtiefsten bis zum Bohrlochrand vollkommen und hohlraumfrei eingebettet ist.
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Unkontrollierte durch das Bohrloch herbeigeführte Grundwasserbewegungen, insbesondere in andere Grundwasserhorizonte oder in wasserempfindliche weil quellende Gesteinsformationen, wie sie fallweise beim geothermischen Bohren schon aufgetreten sind, sind bei Erdwärmesonden, versetzt mit diesem System, somit ausgeschlossen.
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– Optimale Anpassung/Beherrschung von Störfällen
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Als Störfälle beim Bohren sind vor allem 2 Erscheinungen zu nennen. Sie sind dabei „nur” als Schwierigkeiten oder Verzögerungen beim Bohren bis hin zu einem eventuellen Bohrstrangverlust anzusehen, oder stellen sogar eine Gefährdung für Mensch, Maschine und geologischem Untergrund dar.
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Auftreten von Hohlräumen deutlich größer als der Bohrlochdurchmesser
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Trifft ein Bohrloch auf einen solchen Hohlraum, kann das weitere Bohren stark erschwert sein, da der Bohrkleinaustrag an dieser Stelle nicht mehr weitergeht und sich durch das angehäufte Bohrklein eine sehr instabile Zone ausbildet. Da der Bohrstrang auch zum Vermörteln der Erdwärmesonde vorgesehen und damit absolut mörteltauglich ist, kann über den Bohrstrang Mörtel in diesen Bereich eingebracht werden und diese Zone somit stabilisiert werden. Statt Geothermie-Mörtel sollte dabei jedoch ein rasch und vollkommen abbindender Mörtel Verwendung finden. Nach diesem Vorgang einer Stabilisierungsvermörtelung kann wieder problemlos weitergebohrt werden.
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Auftreten von Druckwasser im Bohrloch
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Solche Störfälle sind selten, aber gefürchtet, da die Bohrmannschaft darauf zumeist nicht vorbereitet ist und im Normalfall auch keinerlei Ausrüstung zur Bekämpfung solcher Vorkommnisse vor Ort hat. Beim gegenständlichen System verliert ein solcher Störfall seinen Schrecken, da ihm das Erfindungssystem selbst wirkungsvoll begegnen kann. Tritt Druckwasser auf, verbleibt der Bohrstrang in seiner Position, es wird lediglich am Spülkopf von der Funktion „Spülen” auf die Funktion „Mörtel einpumpen” umgeschaltet. Dies geschieht ohne Zeitverlust, da alle Pumpsysteme (Druckluft, Wasser und Mörtel) permanent angeschlossen und betriebsbereit sind. Es wird solange Mörtel eingepumpt, bis der Wasseraustritt unter Kontrolle ist. Statt Geothermie-Mörtel sollte dabei jedoch ebenfalls ein rasch und vollkommen abbindender Mörtel (= Ankermörtel) verwendet werden. Ob nach einem solchen Vorfall noch, und an welchen Stellen, weitergebohrt werden kann, muss dann ein geologischer Fachmann beurteilen und entscheiden. Oberflächliche Schäden in Form von lokalen Überschwemmungen oder Instabilität infolge unkontrollierter Auswaschungen durch angebohrtes Druckwasser sind mit dem Hypersond-System minimiert bzw. harmlos, weil der Störfall in kürzester Zeit und ohne notwendige Zusatzausrüstung, vom Bohrsystem selbst, behebbar ist.
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Optimale Anpassung an instabile Gebirgs- und Bohrlochverhältnisse
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Das Einbringen einer Erdwärmesonde verlangt, dass das Bohrloch entweder stehen bleibt oder durch Stützmaßnahmen vor dem Zusammenfall geschützt wird. Im Festgebirge bleibt das Bohrloch stehen, im Lockergebirge fällt das Bohrloch zusammen. Bei Wettbewerbssystemen ist es so, dass mit dem Bohrstrang, der das Bohrloch erstellt, parallel ein zweiter Stützstrang mitgezogen werden muss, und zwar solange die schlechten Gebirgsbedingungen andauern. In den meisten Fällen ist dies im Oberflächennahbereich der Fall, sobald man auf das festere Gestein kommt, fährt der (innere) Bohrstrang alleine weiter. In vielen Fällen passiert es aber auch, dass nach dem Greifen eines festeren Gebirges, das Bohrloch später in eine weitere instabile Zone kommt, und diese ebenfalls gestützt werden müsste. Wenn man die Rohre des stützenden Bohrstrangs zurückgelassen hat, ist es in den meisten Fällen nicht mehr möglich, diesen Stützstrang in diese Zone nachzuziehen. Das Bohrloch muss an dieser Stelle beendet werden und kann nicht auf die gewünschte Bohrlochtiefe abgebohrt werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat der Bohrstrang eine Doppelfunktion. Er ist sowohl Bohrstrang als auch Stützrohr für den Schutz vor dem Zusammenfall des Bohrloches und bleibt auch nach dem Bohren bis zum Einbringen der Erdwärmesonde als Stützelement im Bohrloch, und zwar über die volle Bohrlochtiefe. Es ist unerheblich, wenn man durch verschiedene Zonen unterschiedlicher Stabilität bohrt. Im festen Bereich ist keine Stützfunktion notwendig, aber wenn später in tieferen Bereichen erneut instabile Zonen auftreten, ist die Stützfunktion immer gegeben. Der Bohrstrang hat darüber hinaus den Vorteil, dass er ein weiteres wesentliches Erfordernis für das Einbringen der Erdwärmesonde erfüllt. Dies ist das Zentrieren der Erdwärmesonde.
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Während bei anderen Systemen keine Zentrierung gegeben ist oder durch Hilfselemente in aufwändiger Art und Weise eine Zentrierfunktion erstellt werden muss, ist beim Bohrstrang in jeder Lage die Zentrierfunktion immer gegeben, weil die Erdwärmesonde im Inneren des Bohrstranges zentrisch eingeführt wird und beim Zurückziehen des Bohrstranges auch zentrisch vermörtelt wird und somit in seiner zentrischen Lage stets beibehalten wird.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung sind demnach folgende Verfahrensschritte:
- 1. Zunächst wird mit einem Einfachbohrstrang das Bohrloch auf die gewünschte Tiefe gebohrt.
- 2. Danach wird der Bohrstrang um eine Höhe von zum Beispiel etwa 30 cm zurückgezogen, um den Bohrgrund freizustellen.
- 3. Als nächstes wird die Verbindung (bevorzugt Schraubverbindung) zwischen der Spülwelle und dem letzten Rohr des Bohrgestänges gelöst.
- 4. Zurückfahren von Hammerbohrmaschine und Bohrschlitten
- 5. Einbau der Erdwärmesonde in die jetzt offene Stirnseite des Bohrgestänges (Bohrstranges) mit Hilfe einer speziellen Absenkvorrichtung und Einschieben des ersten Rohres der Erdwärmesonde in den Bohrstrang
5a. Kupplung mit dem zweiten Rohr der Erdwärmesonde
5b. Kupplung mit dem dritten Rohr der Erdwärmesonde usw.
- 6. Vorschub aller Rohre der Erdwärmesonde, bis das erste eingebaute Rohr der Erdwärmesonde auf dem zentralen Bohrkopf des Bohrgestänges aufsitzt
- 7. Herausschieben des Zentralbohrkopfes mit dem untersten Sondenrohr der Erdwärmesonde aus der Ringbohrkrone, wonach der Zentralbohrkopf auf den Bohrlochgrund fällt
- 8. Danach wird die Erdwärmesonde weiter vorgeschoben und setzt auf der Bohrlochsohle auf. Die am Sondenfuß befestigten Spreizelemente treten dabei aus der Ringbohrkrone des Bohrstranges aus und werden von ihrer federbedingten Vorspannung befreit, und können ihre Ursprungslage wieder einnehmen. D. h. die freien Enden der Federelemente öffnen sich auf einen so großen Durchmesser, dass sie kraftschlüssig an der Bohrlochwand anliegen. Sollten großen Auftriebskräfte wirken ist nur ein sehr kurzes Anheben der Erdwärmesonde möglich, da die freien Enden der Spreizelementen in die Bohrlochwand eindringen und sich verkeilen. Damit ist der Einbau der Erdwärmesonde im Bohrloch abgeschlossen.
- 9. Nunmehr wird die Erdwärmesonde mit Wasser zur Gewichtserhöhung und zur Vermeidung eines Auftriebes beim Vermörteln gefüllt.
- Auf dem obersten letzten Sondenrohr wird ein Deckel aufgebracht, damit kein Mörtel in den Innenraum der Erdwärmesonde eindringt.
- 11. Vorschieben des Spülkopfes mit der Hammerbohrmaschine auf der Lafette nach unten und Herstellung einer Verbindung zwischen Spülwelle und dem letzten Bohrrohr
- 12. Von der Mörtelpumpe wird über den Anschlussschlauch über den Spülkopf Mörtel in den Bohrstrang gepresst.
- 13. Verfüllung des obersten freien Raumes zwischen dem Bohrstrang und dem oberen Ende der Erdwärmesonde, danach Auffüllung des Ringraumes zwischen dem Bohrstrang und der Erdwärmesonde, wobei die Mörtelmasse nach unten sowohl schwerkraftbedingt absinkt, als auch durch den Druck der Mörtelpumpe vorwärtsgeschoben wird.
- 14. Nach dem Verfüllen sind die Spülnuten der Ringbohrkrone mit Mörtel gefüllt und erhöhen somit den Gegendruck beim Einpressen der Mörtelmasse
- 15. Wenn der Gegendruck ein gewisses Maß (z. B. zwischen 15 bis 20 bar) erreicht hat, beginnt das Zurückziehen des Bohrstranges mit Vorpressen der Mörtelmasse unter etwa dem gleichen Druck
- 16. Das Mörtelbett zwischen Wärmetauscherrohr und Bohrlochwandung wird während des Zurückziehens unter Druck weiter aufgefüllt
- 17. Die Rückziehgeschwindigkeit und die eingepumpte Mörtelmenge werden miteinander synchronisiert
- 18. Die herausgezogenen Rohre des Bohrstranges werden nacheinander folgend abgebaut und vom Mörtel gereinigt
- 19. Damit ist die Bohrlochauffüllung mit Mörtel beendet und die Erdwärmesonde sitzt zentrisch im Bohrloch, weil das Bohrloch gegen Einstürzen und Abbrechen geschützt wurde.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: perspektivische Ansicht eines Bohrstranges mit Spülkopf in explosionsartiger Darstellung und Standrohr
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2: Schnitt durch die Bohrlochsituation mit Zeichnung der Antriebselemente für das Bohrgestänge
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3: Schnitt durch den vorderen Teil des Bohrgestänges
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4: eine Darstellung der Haltefeder, die im Bohrgestänge verwendet wird
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5: grob schematisiert ein Schnitt durch eine Erdwärmesonde ohne Darstellung der Einzelheiten des Hin- und Rücklaufes
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6a: die Darstellung des Vorschubes der Erdwärmesonde durch das Bohrgestänge in der Nähe des Bohrgrundes
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6b: die Darstellung des Vorschubes der Erdwärmesonde durch das Bohrgestänge in der Nähe des Bohrgrundes im abgeschlossenen Zustand
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7: die Darstellung des oberen Teils des Bohrgestänges mit Zuführung des Mörtels über den Spülkopf
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8: die hintereinander folgenden Verfahrensschritte bei der Verlegung der Erdwärmesonde in einem Bohrloch gemäß der vorliegenden Erfindung
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9: Federelement am Wärmetauscherrohr zur Verankerung an der Bohrlochwand mit Kunststoffkappe am Endrohr
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Das Bohrgestänge nach der Erfindung besteht gemäß der 1 aus einem Zentralbohrkopf 1, der entweder in Kreuzform ausgestaltet sein kann oder der als Zentralbohrkopf 2 mit entsprechenden gesteinsabtragenden Stiften ausgerüstet sein kann. Auch weitere Formen von Zentralbohrköpfen können zur Anwendung gelangen, wie z. B. Monoschneidenköpfe mit Stahlschneiden, oder mit Hartmetalschneiden, oder mit Hartmetalstifte bestückte. Der jeweilige Zentralbohrkopf 1, 2 ist mittels einer Haltefeder 3 lösbar an einer Ringbohrkrone 4 befestigt, die über eine Schraubverbindung mit dem ersten Rammbohrrohr 6 verbunden ist.
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An das Rammbohrrohr 6 schließen sich eine beliebige Anzahl weiterer Rammbohrrohre 7 an, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel nur der Einfachheit halber zwei Rammbohrrohre 6, 7 dargestellt sind. Das oberste Rammbohrrohr 7 ist mit der Spülwelle 8 des Spülkopfes 15 gekoppelt. Die Spülwelle 8 ist ihrerseits fest mit dem Einsteckende 14 verschraubt. Das Einsteckende 14 ist das Antriebselement sowohl hinsichtlich der Schlagenergieübertragung als auch der Drehbewegung des gesamten Bohrstrangs 18 beim Bohrvorgang.
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Das Spülkopfgehäuse 9 ist stehend ausgebildet, während sich die Rammbohrrohre 6, 7 über die Spülwelle 8 bis zum Bohrkopf hin, also den gesamten Bohrstrang 18, drehen.
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Am Spülkopfgehäuse 9 ist ein Hochdruckschlauch 33 angeschlossen. Dieser Hochdruckschlauch 33 führt zum Schlauchverteiler 57 der seinerseits drei mit den Absperrhähnen 61 verschließbare Schlauchanschlüsse trägt. Die drei Anschlussschläuche sind der Druckluftschlauch 58, der Mörtelschlauch 59 und der Wasserschlauch 60. Der Druckluftschlauch 58 und der Wasserschlauch 60 dienen der Zufuhr der Spülmedien Druckluft und Wasser. Über den Mörtelschlauch 59 erfolgt die Zufuhr des Geothermischen Mörtels zur Druckvermörtelung der Erdwärmesonde 26 in Bohrloch 20.
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Die Rammbohrrohre 6, 7 erstrecken sich durch ein Standrohr 16 hindurch, welches der kontrollierten Ableitung des Bohrkleins 55 und des Spülmediums dient, welches gemäß 2 in Pfeilrichtung 54 aus dem Ableitschlauch 53 herausgeblasen wird. Die Zusammensetzung des Spülmediums kann sein, dass es nur Wasser ist oder eine Wasser-Luft-Gemisch oder Luft.
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Am oberen Ende vom Standrohr 16 ist eine Labyrinthdichtung 17 angeordnet, welche eine dichtende Verbindung zum Außenumfang des jeweiligen Rammbohrrohres 6, 7 herstellt.
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Das obere Rammbohrrohr 7 ist über eine Gewindeverbindung mit der Spülwelle 8 verbunden, das Spülkopfgehäuse 9 sitzt über eine Lippendichtung 10 abgedichtet auf der Spülwelle 8 auf.
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In 2 ist die Einbringung eines Bohrloches 20 in das Erdreich 19 dargestellt, wobei gleichzeitig auch dargestellt ist, dass sich der Bohrstrang 18 bis auf den Bohrlochgrund 29 erstreckt. Der Bohrstrang 18 erfasst somit alle sich drehenden, und der Schlagenergie übertragenden Elemente, beginnend mit dem Einsteckende 14 und endend mit dem Zentralbohrkopf 1, 2.
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Die Tiefe des Bohrloches 20 kann beispielsweise 48 m betragen.
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Wichtig ist nun, dass nach dem Einbringen der geforderten Bohrlochtiefe das gesamte Bohrgestänge um beispielsweise ein Maß von zum Beispiel 30 cm zurückgezogen wird, wie es in 2 anhand der Pfeilrichtung 11 dargestellt ist. Dieses Maß ist so gewählt, dass ein Freiraum 12 (siehe 6) geschaffen, der später benutzt wird, damit der Zentralbohrkopf 1 auf den Bohrlochgrund 29 als verlorenes Teil fallen kann. Das Maß entspricht somit etwa der Höhe des Zentralbohrkopfes plus eines gewissen Sicherheitsspiels für die Spreizelemente
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Die maschinenseitige Anordnung in 2 ist wie folgt:
Wie bereits schon anhand der 1 erläutert, ist das Standrohr 16 zur Aufnahme des Bohrkleins und des Spülmediums vorgesehen und ist mit dem Ableitschlauch 53 flüssigkeitsleitend verbunden. Der Ableitschlauch 53 führt zu einem Container 62 in welchem das Bohrklein-Spülmediums-Gemisch aufgefangen wird. Der Container 62 hat somit eine Sammel- und Separierfunktion für das Bohrklein-Spülmediums-Gemisch.
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Die gesamte Bohranordnung ist in einer Vertiefung 13 angeordnet. Aus dieser Vertiefung schaut das obere Ende des Bohrstranges 18 heraus. Dieses obere Ende ist freizumachen, d. h. es weist eine in einem bestimmten Verfahrensstadium offene Stirnseite 25 auf.
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Die Bohrraupe 21 trägt eine Bohrlafette 22. Auf der Bohrlafette 22 sitzt ein Hammerschlitten 23, der auf der Bohrlafette 22 durch Ketten oder ähnliche Elemente in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet ist.
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Die Bohrlafette 22 kann jedoch in allen Richtungen geneigt werden.
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Auf dem Hammerschlitten ist die Hammerbohrmaschine 24 montiert und bewegt sich somit auf der Lafette bis zwischen Zentrierung und hinterem Anschlag. Die Hammerbohrmaschine 24 führt den Drehantrieb für den Bohrstrang 28 aus. Gleichzeitig wird damit auch die Schlagerzeugung bewirkt.
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Gemäß 2 ist also mit dem Vorschub des Bohrstranges 18 auf den Bohrlochgrund 29 und dessen Zurückziehen um ein bestimmtes Maß in Pfeilrichtung 11 die Fertigung des Bohrloches 20 abgeschlossen.
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Die Figur zeigt das untere Ende des Bohrstranges 18, wo erkennbar ist, dass das unterste Rammbohrrohr 6 einen ersten Innendurchmesser 38 von z. B. 75 mm aufweist und ein Außendurchmesser von 95 mm gegeben ist.
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Der Innendurchmesser 38 des Rammbohrrohres 6 verengt sich im Bereich der Gewindeverbindungen auf einen zweiten Innendurchmesser 39 von z. B. 63 mm.
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In diesem Bereich ist die Ringbohrkrone 4 angeordnet, die ebenfalls den gleichen Innendurchmesser 40 von ebenfalls 63 mm aufweist.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim Einbringen der Erdwärmesonde 26 mit deren Sondenfuß 46 dieser durch die beiden koaxial ineinander übergehenden Durchmesser 39, 40 hindurchgeht, weil diese Durchmesser annähernd gleich ausgebildet sind.
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Der Außendurchmesser der Ringbohrkrone 4 ist beispielsweise 110 mm, und dies entspricht dem Innendurchmesser des Bohrloches 20.
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Die 3 zeigt nun, dass am unteren Ende der Ringbohrkrone 4 der Zentralbohrkopf 1 oder 2 mittels einer Haltefeder 3 lösbar angebracht ist, wobei zusätzlich noch Hartmetallstifte 41 der Ringbohrkrone 4 dargestellt sind, und mit 42 ist ein Sitz auf der Ringbohrkrone 4 für den Zentralbohrkopf 1 oder 2 dargestellt.
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Mit 43 ist die Bohrung für das Einbringen der Haltefeder 3 gezeichnet.
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Die Haltefeder 3 ist, in einer ihrer möglichen Ausführungsformen, in 4 näher dargestellt. Sie weist mehrere flügelförmige Federansätze 44, 45 auf, die in zugeordnete Hinterschneidungen an der Ringbohrkrone 4 eingreifen. Durch einen Druck von oben in vertikale Richtung nach unten kann somit die Haltefeder 3 aus ihrem Sitz herausgedrückt werden und löst somit den Rastsitz zwischen dem Zentralbohrkopf 1 oder 2 und der Ringbohrkrone 4.
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Die 5 zeigt schematisiert eine Erdwärmesonde 26, wobei aus Vereinfachungsgründen nicht die Innenteile der Erdwärmesonde (Vorlauf-Rücklauf, Doppel-Koaxialrohr im Innenraum und dergleichen dargestellt sind).
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Hierbei ist wichtig, dass der Innenraum der Erdwärmesonde 26 zunächst frei gelassen ist und die gesamten der Führung des Mediums dienenden Teile erst später nach der vollständigen Verlegung der Erdwärmesonde eingebracht werden. Aus diesem Grund ist lediglich das Außenrohr der Erdwärmesonde dargestellt, und das unterste Rohr der Erdwärmesonde 26 ist mit 27 bezeichnet.
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An dieses untere Rohr 27 schließt sich abdichtend ein weiteres Rohr 28 an, und diese Rohre 27, 28 sind in beliebiger Anzahl aneinander anschließbar und jeweils abdichtend miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Rohren 27 und 28 kann z. B. eine Steckverbindung 47 sein. Auch sind Verschraubungen oder Schweißverbindungen oder andere Verbindungen möglich.
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Die 6 zeigt nun, dass beim Vorschieben der Erdwärmesonde 26 nach 5 durch den Ringraum 37 des Bohrstranges 18 der Sondenfuß 46 auf die Haltefeder 3 trifft, diese aus ihrer Verankerung löst und somit die Ringbohrkrone 4 nach unten in Pfeilrichtung 48 fallen lasst, so dass sie auf den Bohrlochgrund 29 fällt und als verlorenes Teil 1' liegen bleibt.
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Aus diesem Grund war der vorher erwähnte Freiraum 12 erforderlich, um ein Herausdrängen des Zentralbohrkopfes 1 in seine Stellung 1' zu ermöglichen.
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In 7 ist nun dargestellt, dass in der Situation nach 6, wenn also der gesamte Bohrstrang 18 abstützend das Bohrloch 20 ausfüllt und gegen Einstürzen sichert, dass im Innenraum (Ringraum 37) die Erdwärmesonde 26 verlegt ist und mit ihrem Sondenfuß 46' auf dem Bohrlochgrund 29 aufsetzt.
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In dieser Situation wird nun gemäß 7 der Mörtel eingefüllt.
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Es ist aus 7 erkennbar, dass außenseitig auf der Spülwelle 8 das Spülkopfgehäuse 9 angebracht ist, wobei das Spülkopfgehäuse 9 feststehend ausgebildet ist und über einen Schmiernippel 31 ein Ringraum geschmiert wird, um eine gute Drehverbindung zwischen dem sich drehenden Bohrstrang 18 und dem feststehenden Spülkopfgehäuse 9 zu erbringen.
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Im Spülkopfgehäuse 9 ist ein radial umlaufender Ringraum 37 gegeben, der axial nach oben und unten über Lippendichtungen 10 abgedichtet ist, so dass über ein sich an dem Ringraum flüssigkeitsleitend anschließenden Schlauchanschluss 32 der Mörtel 49 in Pfeilrichtung 30 unter hohem Druck eingepresst wird und in Pfeilrichtung 30 den Ringraum 37 durchsetzt und schließlich über die Spülwelle 8 in Pfeilrichtung 30 in den Hohlraum 36 zwischen dem Rammbohrrohr 6 und dem oberen Ende die Erdwärmesonde 26 gelangt. Diese ist erfindungsgemäß mit ihrem oberen Ende mit einem Deckelverschluss 35 versehen, um ein Eindringen von Mörtel in die Erdwärmesonde 26 zu vermeiden.
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Der Deckelverschluss 35 wird später wieder entfernt.
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Der Mörtel 49 fließt in den eingezeichneten Pfeilrichtungen in den Ringraum 37, der durch den Innenumfang des Rammbohrrohres 6, 7 und den Außenumfang der Erdwärmesonde 26 gebildet wird.
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In diesem Verfahrensstadium wird gemäß 8 nacheinander folgend in Pfeilrichtung 52 der gesamte Bohrstrang 18 mit den Rammbohrrohren 6, 7 zurückgezogen, so dass nacheinander folgend ein Auffüllen des Bohrloches 20 mit Mörtel 49 erfolgt, wie dies fortschreitend in 8 dargestellt ist.
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In 8 sind folgende 4 Verfahrensschritte von links nach rechts dargestellt:
- 1. Bohren auf Endtiefe
- 2. Einführen der Sondenrohe auf Endtiefe und Ausstoßen des im Loch verbleibenden Zentralbohrkopfes
- 3. Verfüllen des Ringraumes zwischen Sonde und Bohrlochwandung mit Mörtel unter gleichzeitigem Ziehe der Bohrrohre
- 4. Das fertig vermörtelte Sondenaußenrohr und das eingeschobene Sondeninnenrohr bleiben zurück.
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Die linke Darstellung in 8 zeigt also das Einbringen des Bohrloches, die zweite Darstellung von links zeigt das Einbringen des Bohrloches und die eingebrachte Erdwärmesonde 26 bei zurückgezogenem Bohrstrang 18, der in Pfeilrichtung 51 zurückgezogen wurde und wobei der Zentralbohrkopf 1 ausgestoßen wurde.
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Die dritte Darstellung von links in 8 zeigt, dass nacheinander folgend nun beim Zurückziehen des gesamten Bohrstranges 18 eine Synchronisierung zwischen der Zurückziehgeschwindigkeit in Pfeilrichtung 52 und im Einpressen der Mörtelmasse 49 in den Schlauchanschluss 32 erfolgt.
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Die rechte Darstellung in 8 zeigt das schließlich hergestellte verfestigte Bohrloch, wo erkennbar ist, dass in dem ausgehärteten Mörtel 49 zentrisch und absolut parallel die Erdwärmesonde 26 verlegt wurde.
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Es ist noch dargestellt, dass nachträglich in die so verlegte Erdwärmesonde 26 ein Doppelmantel-Koaxialrohr 50 von oben her eingebracht wird, um einen Vor- und Rücklauf für das Wärmeträgermedium zu gewährleisten.
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Die 9 zeigt perspektivisch ein Federelement 63 das am untersten Wärmetauscherrohr 27 angeschweißt ist. Das Federelement 63 soll sich nach Fertigstellung des Einbaus der Wärmetauscherrohre 27, 28 usw. nach ihrer Passage durch die entsprechend zurückgezogene Ringbohrkrone 4 in dem im Bohrlochgrund 29 entstandenen, freien zylindrischen Bohrlochraum ausspreizen, sich im Erdreich verankern und somit einen möglichen Auftrieb des Wärmetauscherrohres 27, 28 verhindern. Für eine absolut konzentrische Positionierung der Wärmetauscherrohre 27, 28 im Bohrloch können solche Federelemente 63 auch pro Wärmetauscherrohr über die gesamte Länge der Erdwärmesonde angebracht werden.
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Wesentlich bei dem beschriebenen Verfahren ist, dass während des Auffüllens des Bohrloches mit Mörtel gleichzeitig der gesamte Bohrstrang 18 zurückgezogen wird, um so ein zentrisches Auffüllen der Mörtelmasse im Bohrloch zu ermöglichen und gleichzeitig das Einfallen des Bohrloches durch Gesteinsabbrüche zu vermeiden. Zeichnungslegende
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentralbohrkopf
- 2
- Zentralbohrkopf
- 3
- Haltefeder
- 4
- Ringbohrkrone
- 5
- Vollbohrkrone
- 6
- Rammbohrrohr
- 7
- Rammbohrrohr
- 8
- Spülwelle
- 9
- Spülkopfgehäuse
- 10
- Lippendichtung
- 11
- Pfeilrichtung
- 12
- Freiraum
- 13
- Vertiefung
- 14
- Einsteckende
- 15
- Spülkopf
- 16
- Standrohr
- 17
- Labyrinthdichtung
- 18
- Bohrstrang
- 19
- Erdreich
- 20
- Bohrloch
- 21
- Bohrraupe
- 22
- Bohrlafette
- 23
- Hammerschlitten
- 24
- Hammerbohrmaschine
- 25
- Stirnseite
- 26
- Erdwärmesonde
- 27
- Unteres Rohr
- 28
- Oberes Rohr
- 29
- Bohrlochgrund
- 30
- Pfeilrichtung
- 31
- Schmiernippel
- 32
- Schlauchanschluss
- 33
- Schlauch
- 34
- Pfeilrichtung
- 35
- Deckelverschluss
- 36
- Hohlraum
- 37
- Ringraum
- 38
- Durchmesser von 6
- 39
- Durchmesser von 6
- 40
- Durchmesser von 4
- 41
- Hartmetallstifte von 4
- 42
- Sitz für 4
- 43
- Bohrung
- 44
- Federansatz
- 45
- Federansatz
- 46
- Sondenfuß 46
- 47
- Steckverbindung, abdichtend
- 48
- Pfeilrichtung
- 49
- Mörtel
- 50
- Doppelmantel-Koaxialrohr
- 51
- Pfeilrichtung
- 52
- Pfeilrichtung
- 53
- Ableitschlauch
- 54
- Pfeilrichtung
- 55
- Bohrklein + Spülmedium
- 56
- Spreizelemente am Sondenfuß
- 57
- Schlauchverteiler
- 58
- Druckluftschlauch
- 59
- Mörtelschlauch
- 60
- Wasserschlauch
- 61
- Absperrhähne
- 62
- Sammelcontainer für Bohrklein und Spülwasser
- 63
- Federelement
- 64
- Kunststoffkappe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009000462 U1 [0003]
- DE 202007005268 U1 [0004]
